Методические указания к лабораторным работам

Методические указания по применению измерительных приборов. Фазометры Ф2-13, Ф2-16, Ф2-34 | назад | оглавление |

В методических указаниях рассмотрены принципы работы современных фазометров, методические рекомендации по их применению, метрологические характеристики фазометров, используемых в лабораториях кафедры, инструкции про их эксплуатации. Методические указания предназначены для студентов дневного и заочного отделения, изучающих курс “Метрология, стандартизация и управление качеством”.

1. Указания по технике безопасности

1. Источником питания приборов является сеть переменного тока напряжением 220±10% частотой 50 Гц или 400 Гц, являющимся опасным для жизни.
2. Корпус прибора должен быть заземлен, для этого зажим “┴” на передней панели должен быть соединен с общи м заземлением.
3. Категорически запрещено вскрывать прибор, шнур которого подключен к питающей сети.
4. Шнур питания и сетевая валка не должны иметь механических повреждений изоляции.
5. При работе с приборами нельзя закрывать посторонними предметами вентиляционные отверстия.

2. Назначение фазометров.

Фазометры предназначены для измерения фазового сдвига между двумя гармоническими сигналами одинаковой частоты в широком диапазоне частот.

Применяются для измерения фазочастотных характеристик четырехполюсников: усилителей, аттенюаторов, каналов и трактов связи, корректоров, линий связи, фильтров, интегральных микросхем при определении параметров полупроводниковых приборов, диэлектриков, магнитных материалов, при настройке фильтров, корректоров, резонаторов, антенн.

Современные фазометры оснащены устройствами дистанционного управления и возможностью выдачи измерительной информации либо на самописец, либо на цифропечатающее регистрирующее устройство или на ЭВМ.

3. Методика измерения фазового сдвига фазометром.

Под фазовым сдвигом (φ) понимают модуль разности начальных фаз двух гармонических сигналов одинаковой частоты. Структурная схема измерения φ четырехполюсников имеет вид, показанный на рис. 1.

Рис. 1. структурная схема измерения фазового сдвига четырехполюсника.

На вход исследуемого четырехполюсника от измерительного генератора подается испытательный гармонический сигнал с необходимыми значениями частоты и напряжения. Этот сигнал поступает также не вход фазометра, называемый опорным. К входу четырехполюсника подключена нагрузка, значение которой определяется условиями эксперимента, и второй вход фазометра называемый измерительным или сигнальным.

Измерения выполняются в следующей последовательности:

- Ознакомиться с метрологическими характеристиками фазометра (табл. 1).
- Убедиться, что диапазон частот и напряжений соответствуют метрологическим характеристикам, а внешние условия измерений (температура, давление, влажность) соответствуют рабочим условиям измерения фазометра.
- Оценить степень влияния входных параметров фазометра на исследуемую схему.
- Собрать схему измерения (рис. 1), продав сигнал со входа четырехполюсника на опорный вход фазометра, с выхода на измерительный (сигнальный) вход.
- Подготовить прибор к измерению и провести измерение согласно инструкции по эксплуатации.
- Записать результаты наблюдений.
- Обработать результаты наблюдений, оценить погрешность измерений (табл. 10, поз. 5).
- Записать результат измерения согласно методических указаний МИ 1317-86.

4. Принцип работы фазометров.

В основу работы рассматриваемых фазометров положен метод преобразования фазового сдвига во временной интервал, сущность которого поясняется структурной схемой и временными диаграммами, приведенными на рис. 2. Гармонические колебания U1 и U2, фазовый сдвиг которых необходимо измерить, через входные устройства 1 и 2 поступают на входы формирователей 3 и 4. формирователи вырабатывают короткие импульсы в моменты времени, соответствующие переходу напряжении гармонических сигналов через нулевое значение на восходящей участке сигнала (положительный нуль-переход). Временный сдвиг ∆t между последовательностями импульсов U3 и U4 будет пропорционален фазовому сдвигу φ. С помощью триггера 5, который сигналом U3 устанавливается в состояние логической единицы (высокий потенциал), а сигналом U4 в состояние логического нуля (низкий потенциал), формируется последовательность импульсов U5 длительностью ∆t.

Экспериментально определив значение отношения ∆t/T, легко найти фазовый сдвиг из соотношения:

φ=360.

Решение этой задачи возможно несколькими способами, в фазометрах Ф2-13 и Ф2-16 это отношение определяют путем измерения среднего значения напряжения импульсной последовательности 0 5 (рис.2).

Среднее значение напряжения будет равно:

Следовательно, среднее значение напряжения пропорционально Фазовому сдвигу, поэтому вольтметр, измерявшим это значение, можно проградуировать в единицах измерения фазового сдвига, среднее значение напряжения измеряют либо с помощью аналогового вольтметра (фазометр Ф2-13), либо с помощью цифрового вольтметра (Ф2-16). В последнем случае среднее значение напряжения (постоянную составляющую) выделяет с помощью фильтра нижних частот.

Рис. 2. Преобразование фазового сдвига во временной интервал.

Структурные схемы фазометров Ф2-13 и Ф2-16 выполнены по двухтриггернои схемe, в которой формируется две последовательности импульсов - от положительных и отрицательных нуль-переходов, что позволяет исключить погрешность, вызванную нестабильность, порогов Формирователей. далее эти сигналы складывается с помощью сумматора, и вольтметром измеряется постоянная составляющая суммарного сигнала.

Источниками погрешностей в таких фазометрах являются:

-нестабильность порога срабатывания формирователем;

-нестабильность пикового значения напряжения Um последовательностей импульсов U5 (рис.2.);

-погрешность измерения среднего значения напряжения этих последовательностей вольтметром.

В фазометре Ф2-34 отношение ∆t/Т измеряет с помощью элементов дискретной техники. На рис. 3 показана структурная схеме аналого-цифрового преобразователя этого отношения и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Сформированная с помощью преобразователя фазового сдвига во временной интервал последовательность импульсов U5 поступает на первый электронный ключ (1), на другой вход которого поступают импульсы высокой частоты U6 от генератора счетных импульсов (2). Счетные импульсы проходят через первый электронный ключ (1) только при наличии напряжения U5 на другом входе ключа, в результате чего на его выходе формируется последовательность пачек импульсов U7. Количество импульсов в пачке n определяется длительностью интервала ∆t и периодом следования счетных импульсов Tсч:

Последовательность U7 поступает на второй электронный ключ (3), на другой вход этого ключа подается управляющий импульс U8, длительность которого задает интервал времени измерения Тиэм. В течение этого интервала пачки импульсов поступают на электронный счетчик 5 (сигнал U9).

количество пачек m, поступающих на вход счетчика, определяется соотношением:

Общее количество импульсов N, попавших, на счетчик, будет равно:

Интервал времени измерения Tизм вырабатывает формирователь 4 путем деления частоты следования счетных импульсов, поэтому:

Tизм = к Тсч, где к - коэффициент деления.

Тогда ,

то есть количество импульсов получается пропорциональным фазовому сдвигу и независящим от частоты следования счетных импульсов содержимое счетчика индицируется с помощью устройства цифрового отображения 6. Если коэффициент деления к взять равным 360 10r где r=0,1,2,...., то устройство отображения будет показывать фазовый сдвиг в градусах или их десятичных долях. Устройство управления 7 координирует работу всех узлов схемы.

Основными источниками погрешности являются:

- нестабильность порогов формирователей в преобразователе фазового сдвига во временном интервале;

- погрешность дискретизации.

Последняя обусловлена некратностью интервала ∆t и периода следования счетных импульсов Tсч (δg1)2, а также исследуемых интервала Tиэм и периода сигналов T (δg2). Погрешность δg1 увеличивается с ростом частоты сигнала и уменьшается с увеличением частоты счетных импульсов. Погрешность δg2 возрастает по мере уменьшения частоты исследуемых сигналов. Ее можно уменьшить, увеличивая время измерения.

В фазометре Ф2-34 с целью уменьшения указанных выше погрешностей формируется четыре последовательности импульсов вида U9 (рис.3), которые объединяются с помощью динамического сумматора между совой и с двумя корректирующими последовательностями. С выхода сумматора сигнал поступает на счетчик. В этом фазометре предусмотрена возможность запоминания предыдущего результата, что позволяет измерять кроме абсолютного фазового сдвига его приращение и осуществлять автоматическую калибровку и установку нуля.

Рис. 3. Принцип оналого-цифрового преобразования отношения ∆t/T.

5. Основные метрологические характеристики фазометров Ф2-13, Ф2-16, Ф2-17.

Метрологические характеристики фазометров, используемых в лабораториях ИТС, приведены в таблице 1. В ней же приведены некоторые характеристики одного из самых современных на год выпуска методических указании прибора - измерителя фазового сдвига и отношении уровней ФK2-29. В отличии от описанных в настоящем пособии приборов кроме фазового сдвига он позволяет измерять уровень сигналов и отношение напряжении сигнала в широком диапазоне частот, прибор снабжен встроенной микропроцессорной системой, которая производит обработку результатов измерении, осуществляет управление взаимодействием узлов, производит проверку работоспособности прибора и самодиагностику исправности отдельных узлов. По своим метрологическим характеристикам соответствует лучшим зарубежным образцам.

6. Инструкция по эксплуатации фазометра Ф2-13.

6.1 Органы управления.

Расположение органов управления на передней панели показано на рис.4. Они предназначены:

-кнопки "20", "40", "100", "200" - для установки диапазона измерения с конечными значениями 20°, 40°, 1000, 2000 соответственно;

- кнопка “+-” для установки знака фазового сдвига ( “+”-кнопка
  отжата, “-” - кнопка нажата);
- кнопка "+180°" - для исключения зоны нечувствительности;
- кнопка ">20кН" - для установки частотных диапазонов:
  0,02+20 кГц (кнопка отжата) и 20:1000 кГц (кнопка нажата);
- тумблер "СЕТЬ"- для включения питающие сети;
- кнопки "O,1-1U ", "1-10U" - для установки диапазона напряжений входных сигналов;

-кнопки “►0◄” для установки режимов, установки нуля и калибровки;

- регулятор “►О◄” - для установки нуля прибора;
- регулятор “►180◄” - для калибровки прибора;
- разъемы "пробник" - для подключения входных пробников измерительного и опорного каналов;
- зажим "┴" - Для подключения защитного заземления.

Рис. 4. Передняя панель фазометра Ф2-13.

6.2. Метрологические характеристики прибора 2-13

Характеристики прибора Ф2-13 приведены в таблице 1.

6.3. Подготовка к работе.

а)ознакомиться с указаниями по технике безопасности (разд.3)и методике измерении (разд.3);

б)не включая сети установить стрелку измерительного прибора его корректором на нулевую отметку;

в)установить всё кнопки переключателей прибора в отжатое положение;

г)подключить входные пробники к разъемам;

д)включить тумблер "СЕТЬ" (при этом должна загореться
сигнальная лампочка);

е)прогреть прибор в течение 15 минут;

ж)определить размер напряжения сигнала на входе исследуемого четырехполюсника и нажать кнопки "0,1-1V" или "1-10V" обоих каналов в соответствии с этим напряжением;

з)кнопкой ">20 кHZ" установить необходимый частотный диапазон ("0,02-20 кГц" - кнопка отжата, "20-1000 кГц" - кнопка нажата);

и)нажать кнопки "►0◄" обоих каналов и кнопку "+-";

к)подключить пробники обоих каналов ко входу четырехполюсника;

л)нажать кнопку "20" переключателя пределов измерения;

м)регулятором "►0◄" установить стрелку прибора на нулевую отметку,

6.4. Калибровка прибора.

а)после выполнение операций п.2 нажать кнопку "200" переключателя диапазона измерении;

б) кнопки "►0◄" левого (опорного) канала отжать, а правого (измерительного) канале нажать;

в)нажать кнопку "+-";

г) регулятором "►180◄" установить стрелку прибора на числовую отметку "90".

6.5. Проведение измерений.

а) после выполнения пп.6.3, и 6.4 настоящей инструкции отжать кнопки "►0◄" обоих каналов и отключить пробник правого канала;

б) определить размер выходного напряжения исследуемого четырехполюсника и нажать кнопку "O,1-1U " либо "1-10U" правого (измерительного) канала в соответствии с этим напряжением;

в) подключить пробники опорного (левого) канала ко входу, а измерительного канала к выходу исследуемого четырехполюсника;

г) последовательным нажатием кнопок "100", "40", "20" добиться отклонения стрелки прибора, максимально близкого к конечному значению шкалы и снять показания прибора с учетом того, что конечное значение шкалы прибора соответствует фазовому сдвигу, указанному на нажатой кнопке переключателя диапазона измерении (в градусах); в случае отклонения стрелки прибора влево от нулевой отметки отжать кнопку "+-", что соответствует знаку "+".

д) при измерении фазовых сдвигов больших 150 необходимо нажать кнопку "+1800", в этом случае значение фазового сдвига определяется по формуле:

φ=±(1800-|φn|),

где n -

показание прибора Ф2-13, знак фазового сдвига

определяется положением кнопки "+-" : “+” - кнопка отжата, "-" - кнопка нажата.

7. Инструкция по эксплуатации фазометра Ф2-16.

7.1 Органы управления.

Расположение органов управления на передней панели показано на рис 5. Они предназначены :

-переключатель "сеть" - для включения напряжения питающей сети;

- кнопочным переключатель "", "▼" - для установки режима измерения (кнопка "") и калибровки (кнопка "▼");
- кнопочный переключатель "[F]kHz" - для установки диапазона
частот;

- кнопочный переключатель “[]φ

0” - для изменения пределов измерения “0-З6О0” и “± 1800”;

- переключатели "" и "" - для установки симметричного "" или несимметричного "" входов;
- регулятор "►0◄" - для установки нуля прибора;
- регуляторы "+ 1800", "+ 3600", "- 360°" (под "шлиц") - для калибровки прибора;
- гнезда "канал а", "1" и "2" - входы для подачи опорного сигнала. Несимметричный - "1", симметричней - "2"; гнезда "канал Б", "1" и "2" - входы для подачи измерительного сигнала, несимметричный - "1", симметричный - "2".

Рис. 5. Передняя ранель фазометра Ф2-16.

7.2. Метрологические характеристики прибора Ф2-13 .

Характеристики прибора Ф2-16 приведены в таблице 1.

7.3. Подготовка к работе.

а) ознакомиться с указаниями по технике безопасности (разд.1) и методике измерении (разд.3);

б)установить все кнопки переключателей прибора в положение отжато;

в)Включить переключатель "СЕТЬ", при этом должны загореться индикаторы цифрового табло;

г)прогреть прибор в течение 15 минут;

д)определить размер напряжений исследуемых сигналов.

7.4. Калибровка прибора.

а)установить переключатель входов в положен "";

б)нажать кнопку “+1800” переключателя “[]φ

0”;

в)нажать кнопку "▼";

г)подать больший из сигналов на гнездо "1" "канал Б":

- при среднеквадратическом значении напряжения до 2 В кабелем без делителя;

- при среднеквадратическом значений напряжения от 2 до 10 в
  кабелем с делителей ДН1:5;
- при среднеквадратическом значении напряжения от 10 до 200 в
  кабелем с делителем ДН1:100;.

д)вход "1" "КАНАЛ А" замкнуть на корпус;

е)регулятором "►0◄" установить показание индикатора "000,О" с погрешностью ±0,1;

ж)подать больший из сигналов на гнездо "1" "КАНАЛ А", руководствуясь указаниями п."Г" настоящего раздела;

з)вход "1" "КАНАЛ Б" замкнуть на корпус;

и)регулятором "-360" установить показание фазометра "360,О" с погрешностью ±0,1;

к)повторить последовательно п.п."Г-и", пока показания индикатора "000,0" и "360,0" не будут выполняться с погрешностью +0.l без настройки;

л)нажать кнопку ""

м)на гнездо. "1" "КАНАЛ Б" подать больший из сигналов, вход "1" "канал А" замкнуть на корпус;

н)регулятором "±180°" установить показание "180,0" с погрешностью ±0,1;

о)нажать кнопку "0:360" переключателя “[]φ

0”;

п) Регулятором "+360°" установить показание "360,0" с погрешностью ±0,1.

7.5. Измерение фазового сдвига.

а)нажать кнопку “”;

б)нажать кнопку переключателя "{ f }кHz", соответствующую частоте исследуемых сигналов;

в)нажать кнопку "±180°" переключателя "[]φ";

г)установить переключатели входов в положение "" - для

несимметричных и в положение “” - для симметричных объектов;

д)на гнезда "1" для несимметричного или на гнезда "2" для симметричного объекта обоих каналов подать опорный сигнал (обычно со входа четырехполюсника), руководствуясь указаниями раздела 7.4, п."г";

и)регулятором "►0◄" установить показания фазометра "000,0" с погрешностью ±0,1;

ж)подать на вход "канал А" опорный сигнал (со входа четырехполюсника) на вход "канал Б" измерительный сигнал (с выхода четырехполюсника), руководствуясь указаниями разд.7.4. п. “г”.

Прибор будет индицировать фазовый сдвиг. В случае неустойчивости показании фазометра, нажать кнопку "0-360°" переключателя "[]φ".
Если фазовый сдвиг получается отрицательным, следует изменить подключение фазометра к исследуемому объекту (поменять местами
исследуемые сигналы). Допускается менять местами входные кабели, однако, при этом необходимо повторить операции "б-д" настоящего
раздела.

8. Инструкция по эксплуатации фазометра Ф2-34.

8.1 Органы управления.

На рис.6 показана передняя панель прибора Ф2-34, на которой расположены следующие органы управления:

- гнездо " 1"- для подачи опорного сигнала;
- гнездо " 2" - для подачи измерительного исследуемого сигнала;
- разъем “>” - для подключения дистанционного управления и цифропечатающего устройства;
- тумблер "1S"" - для установки времени одного цикла измерения (в положении "1S" время цикла составляет (1,4±0,3)с, а в положении "10S" - (11+3)с);
- кнопка “∆φ
” - для установки режима измерения приращения фазового сдвига;
- прибор укомплектован соединительными шнурами с выносными делителями ДН1:15 и ДН1:100, которые ослабляют входной сигнал в 15,7±15% и 101±15% раз соответственно;
- переключатель "сеть" служит для включения питающей сети.

Рис. 6. Передняя панель фазометра Ф2-34

8.2. Метрологические характеристики прибора Ф2-34 .

Основные метрологические характеристики фазометра Ф2-34 приведены в таблице 1, а данные для оценки основной погрешности измерения ∆t приведены в таблице 2.

Общая оценка ∆ погрешности определяется по формуле:

∆=∆n + ∆H,

где ∆H - дополнительная погрешность за счет нелинейных искажении входных сигналов (см.табл.1, поз.5.2.);

∆n - предел допускаемой основной погрешности, определяемый
согласно табл.2.

8.3. Подготовка к работе.

а)ознакомиться с указаниями по, технике безопасности (разд.1.) и методике измерений (разд.3.);

б)включить переключатель "СЕТЬ", при этом должны загореться индикаторы цифрового табло;

в) прогреть прибор в течение 15 минут.

8.4. Измерение фазового сдвига.

а)к гнезду " 1" подключить опорный сигнал, а к гнезду "-" 2" - исследуемый сигнал, фазовым сдвиг которого относительно опорного нужно определить, при этом необходимо руководствоваться рекомендациями, приведенными в таблице 3;

б)тумблер “” установить в положение "l S";

в)нажать кнопку "φ". После этого начинается цикл, установки нуля, который длится около 70 с. Окончание цикла установки нуля индицируется периодическим свечением нижнего сегмента символьного разряда индикаторного табло. После окончания цикла установки нуля прибор начинает показывать значение фазового сдвига;

г)если уровень помехи и шумов в сигналах велик, то для повышения точности тумблер “” установить в положение "10 S", при этом время цикла измерения увеличится до 10 с.

ВНИМАНИЕ!!! После каждого скачкообразного изменения частоты фазового сдвига или входного напряжения в фазометре возникают переходные процессы. Время затухания которых составляет 1-1,5 минут, потому отсчет показаний следует делать после их завершения.

Таблица 2

Оценка основной погрешности измерения фазометра Ф2-34.

диапазон частот, гц | диапазон напряжении входных сигналов, В | перепад уровнем напряжении входных сигналов A=2O*1og(Uвх1/Uвх2), ДБ | предел допускаемом основной погрешности измерения n, град
0,5-1 | 0,02-2 | 0-20; 20-4О | 0,25/F + 0,1 А 0,25/F + 0,3 А
1-5 | 0,01-2 | 0-40 | 0,08 + 0.1/F+ 0,075 А
5-20 | 0,01-2 | 0-60 | 0,08 + 0,1/F + О,03 А
20-2* 105 | 2 10-3-10-2 | 0-60 | 0,5+10-7 F+0,03 A
20-2* 105 | 0.01-2 | 0-60 | 0,1+10-7 F+0,03 A
20-2* 105 | 2 10-3-10-2 | 0-60 | 0,5+10-7 F+0,03 А
2*105-2*106 | 0,01-2 | 0-40 40-60 | 0,1+10-7 F+0.05 А 0,1+10-7 F+0.075 А
2*105-2*106 | 2 10-3 -10-2 | 0-40 40-60 | 0,5+10-7 F+0.05 А 0,5+10-7 F+0.075 А
2*106-5*106 | 0,01-2 | 0-40 40-60 | 0,1+10-7 F+0.1 А 0,1+10-7 F+0.15 А
2*106-5*106 | 2 10-3 -10-2 | 0-40 40-60 | 0,5+10-7 F+0.1 А 0,5+10-7 F+0.15 А

Таблица 3

Максимально допустимые значения параметров входных сигналов фазометра Ф2-34.

Параметры входных сигналов | Без делителя | С делителем ДН1:15 | С делителем ДН1:100
Диапазон входных напряжений | От 2мВ до 2В | От 30мВ до 3В | От 0,2В до 200В
Максимально допустимое среднеквадратическое значение входного переменного напряжения | 7 В | 30 В | 200В
Максимальное значение суммы напряжений постоянной составляющей и пикового значения переменной составляющей | 20 В | 50В | 300 В

8.5. Измерение приращения фазового сдвига.

а)подать входные сигналы в соответствии с указаниями раздела 8.4 п.“а”;

б)тумблер “” установить в положение "IS".

В)нажать кнопку “∆φ

”. Внимание: момент нажатия не должен совпадать с моментом высвечивания нижнего сегмента символьного разряда индикаторного табло. Если кнопка нажата неверно, ее нужно нажать повторно.

После нажатия кнопки “∆φ

” начинается цикл установки нуля и калибровки, которым длится от 1,5 с до 2,5 с в зависимости от частоты сигнала (чем ниже частота, тем больше время цикла).

По окончании цикла установки нуля и калибровки прибор с интервалом 1 с производит измерение приращения фазового сдвига, относительно значения, которое было во время установки нуля.

г)если уровень помех и шумов в сигналах велик, то для увеличения точности измерении необходимо увеличить время цикла измерений путем установки тумблера “” в положение "10 S". При этом цикл измерения будет равен примерно 10 с.

Список литературы.

1. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи. Учебное пособие для вузов Б.П. Хромой, А.В. Кондинов, А.Л. Сенявский и др.; под ред. Б.П. Хромого – М.: Радио и связь. 1986. – 424 с.
2. Измеритель разности фаз Ф2-13. Техническое описание и инструкция по эксплуатации – 122 с.
3. Измеритель разности фаз Ф2-16. Техническое описание и инструкция по эксплуатации – 110 с.
4. Измеритель разности фаз Ф2-34. Техническое описание и инструкция по эксплуатации – 189 с.

назад | оглавление